▲上图：结合了气体温度（用颜色表示）和激波马赫数（用亮度表示）的合成图。红色表示大质量星系团中心的温度为一千万开尔文的气体，而明亮的结构显示了在宇宙空洞和丝状结构之间的边界上被星系际介质激波加热的弥散气体。版权归属: Illustris Team
通过理解恒星及其起源，我们会对我们从何而来了解更多。然而，星系的浩瀚——更不用说整个宇宙——意味着为了理解其起源而进行的实验昂贵、困难、费时。事实上，研究天体物理某些方面的实验是不可能的，也就是说，为了更好地了解星系如何形成，研究人员要依赖于超级计算机。
为了发展一个更完整的星系形成的图像，海德堡理论研究所、马克斯·普朗克天体物理和天文研究所、麻省理工、哈佛大学和纽约的计算天体物理中心的研究人员转向了斯图加特高性能计算中心的超级计算机资源。模拟结果将帮助验证和扩展已有的宇宙早期阶段的实验知识。
最近，这个研究团队扩展了其2015年破纪录的“Illustris”模拟——有史以来最大的星系形成流体动力学模拟。研究人员改进了他们的模拟的范围和精度，把这个项目的这个阶段命名为Illustris：下一代（IllustrisTNG），这个研究团队在《皇家天文学会月刊》上刊登的三篇文章中公布了第一批结果。
▲图说：质量最大的星系团中心的气体密度（左）和磁场强度（右）。放大图显示了磁场方向和星光（顶部）和来自大质量星系团的X射线以及射电辐射（底部）。版权归属: Illustris Team
随着计算能力和技术水平的提高，模拟更大空间区域和与星系形成有关的错综复杂的现象的能力也在提升。这个研究团队用IllustrisTNG的不同分辨率模拟了三个宇宙“切片”。最大的一个有300兆秒差距，或者说10亿光年大。
研究人员更精确地处理了磁场，改进了模拟的精度。“磁场由于各种各样的原因是有趣的。”海德堡理论研究所研究教授核研究员、该项目的负责人Volker Springel教授说。“施加在宇宙气体上的磁压偶尔可以等于热（温度）压，如果忽略这一点，你将会错过这些效应并最终影响你的结果。”
在发展IllustriTNG的同时，这个研究组也在理解黑洞物理上取得了惊人进展。基于观测知识，研究人员知道超大质量黑洞以很大的能量将宇宙气体排出，同时也将这些气体“吹”出星系团。这帮助“切断”最大的星系中的恒星形成，从而限制星系所能达到的最大尺寸。
在以往的Illustri模拟中，研究人员注意到当黑洞经历这一能量转移过程时，它们会使恒星形成完全停止。通过修改模拟中的黑洞物理，研究团队发现数据和观测符合得更好。这使研究人员更自信他们的模拟与现实相符。
编译：钱磊 编辑：张梦
来源：https://phys.org/news/2018-03-cosmologists-record-breaking-simulation-galaxy-formation.html